추상적인:본 연구에서는 손실이 0.28 dB/cm이고 링 공진기 품질 계수가 110만인 1550 nm 절연체 기반 리튬 탄탈레이트 도파관을 개발했습니다. 비선형 광자학에 χ(3) 비선형성을 적용하는 연구가 진행되었습니다. 절연체 위에 리튬 니오베이트(LNoI)를 적층한 LNoI는 우수한 χ(2) 및 χ(3) 비선형 특성과 "절연체-온" 구조로 인한 강력한 광 구속 특성을 나타내며, 이러한 장점은 초고속 변조기 및 집적 비선형 광자학용 도파관 기술에 상당한 발전을 가져왔습니다[1-3]. LN 외에도 리튬 탄탈레이트(LT)도 비선형 광자학 재료로 연구되고 있습니다. LN과 비교하여 LT는 굴절률 및 비선형 계수와 같은 광학적 매개변수는 LN과 유사하지만, 광학적 손상 임계값이 더 높고 광학적 투명도 범위가 더 넓습니다[4, 5]. 따라서 LToI는 고광출력 비선형 광자 응용 분야를 위한 또 다른 강력한 후보 물질로 주목받고 있습니다. 더욱이 LToI는 고속 모바일 및 무선 기술에 적용 가능한 표면 탄성파(SAW) 필터 소자의 주요 소재로 자리 잡고 있습니다. 이러한 맥락에서 LToI 웨이퍼는 광자 응용 분야에서 보다 보편적인 소재가 될 수 있습니다. 그러나 현재까지 마이크로디스크 공진기[8] 및 전기광학 위상 천이기[9]와 같은 LToI 기반 광자 소자는 소수에 불과합니다. 본 논문에서는 저손실 LToI 도파로와 링 공진기에서의 응용을 제시합니다. 또한, LToI 도파로의 χ(3) 비선형 특성을 제공합니다.
주요 포인트:
• 국내 기술과 성숙한 공정을 활용하여 최상층 두께가 100nm에서 1500nm에 이르는 4인치에서 6인치 LToI 웨이퍼, 박막 리튬 탄탈레이트 웨이퍼를 제공합니다.
• SINOI: 초저손실 실리콘 질화물 박막 웨이퍼.
• SICOI: 실리콘 카바이드 광자 집적 회로용 고순도 반절연 실리콘 카바이드 박막 기판.
• LTOI: 리튬 니오베이트, 박막 리튬 탄탈레이트 웨이퍼의 강력한 경쟁자입니다.
• LNOI: 대규모 박막 리튬 니오베이트 제품의 대량 생산을 지원하는 8인치 LNOI입니다.
절연체 도파관 제조:본 연구에서는 4인치 LToI 웨이퍼를 사용했습니다. 최상단 LT 층은 SAW 소자용 상용 42° 회전 Y-컷 LT 기판으로, 스마트 커팅 공정을 사용하여 3µm 두께의 열산화층이 있는 Si 기판에 직접 접합되었습니다. 그림 1(a)는 최상단 LT 층의 두께가 200nm인 LToI 웨이퍼의 상단 모습을 보여줍니다. 최상단 LT 층의 표면 거칠기는 원자간력현미경(AFM)을 사용하여 평가했습니다.
그림 1.(a) LToI 웨이퍼의 상단 보기, (b) 최상단 LT 층 표면의 AFM 이미지, (c) 최상단 LT 층 표면의 PFM 이미지, (d) LToI 도파로의 개략적 단면도, (e) 계산된 기본 TE 모드 프로파일, (f) SiO2 오버레이어 증착 전 LToI 도파로 코어의 SEM 이미지. 그림 1(b)에서 볼 수 있듯이 표면 거칠기는 1nm 미만이며 스크래치 라인은 관찰되지 않았습니다. 또한 그림 1(c)에서 볼 수 있듯이 압전 응답 힘 현미경(PFM)을 사용하여 최상단 LT 층의 분극 상태를 조사했습니다. 본딩 공정 후에도 균일한 분극이 유지됨을 확인했습니다.
이 LToI 기판을 사용하여 다음과 같이 도파로를 제작했습니다. 먼저, LT의 후속 건식 에칭을 위해 금속 마스크 층을 증착했습니다. 그런 다음 전자 빔(EB) 리소그래피를 수행하여 금속 마스크 층 위에 도파로 코어 패턴을 정의했습니다. 다음으로, 건식 에칭을 통해 EB 레지스트 패턴을 금속 마스크 층에 전사했습니다. 그 후, 전자 사이클로트론 공명(ECR) 플라즈마 에칭을 사용하여 LToI 도파로 코어를 형성했습니다. 마지막으로, 금속 마스크 층을 습식 공정으로 제거하고 플라즈마 강화 화학 기상 증착을 사용하여 SiO2 오버레이를 증착했습니다. 그림 1(d)는 LToI 도파로의 개략적인 단면도를 보여줍니다. 전체 코어 높이, 플레이트 높이 및 코어 폭은 각각 200nm, 100nm 및 1000nm입니다. 광섬유 결합을 위해 코어 폭이 도파로 가장자리에서 3µm로 확장됩니다.
그림 1(e)는 1550 nm에서 기본 횡전기(TE) 모드의 계산된 광 강도 분포를 보여줍니다. 그림 1(f)는 SiO2 오버레이를 증착하기 전 LToI 도파관 코어의 주사전자현미경(SEM) 이미지를 보여줍니다.
도파관 특성:먼저, 1550 nm 파장의 증폭된 자발 방출원으로부터 TE 편광된 빛을 다양한 길이의 LToI 도파로에 입력하여 선형 손실 특성을 평가했습니다. 전파 손실은 각 파장에서 도파로 길이와 투과율 사이의 관계의 기울기로부터 얻었습니다. 측정된 전파 손실은 그림 2(a)에서 볼 수 있듯이 각각 1530, 1550, 1570 nm에서 0.32, 0.28, 0.26 dB/cm였습니다. 제작된 LToI 도파로는 최첨단 LNoI 도파로와 유사한 저손실 성능을 보였습니다[10].
다음으로, 4파장 혼합 공정으로 생성된 파장 변환을 통해 χ(3) 비선형성을 평가했습니다. 1550.0 nm의 연속파 펌프 광과 1550.6 nm의 신호 광을 12 mm 길이의 도파관에 입력했습니다. 그림 2(b)에서 볼 수 있듯이, 위상-공액(idler) 광파 신호 세기는 입력 전력이 증가함에 따라 증가했습니다. 그림 2(b)의 삽입 그림은 4파장 혼합의 일반적인 출력 스펙트럼을 보여줍니다. 입력 전력과 변환 효율의 관계로부터 비선형 매개변수(γ)가 약 11 W^-1m로 추정되었습니다.
그림 3.(a) 제작된 링 공진기의 현미경 이미지. (b) 다양한 갭 매개변수를 갖는 링 공진기의 투과 스펙트럼. (c) 1000nm 갭을 갖는 링 공진기의 측정 및 로렌츠 적합 투과 스펙트럼.
다음으로, LToI 링 공진기를 제작하고 그 특성을 평가했습니다. 그림 3(a)는 제작된 링 공진기의 광학 현미경 이미지를 보여줍니다. 링 공진기는 반경 100µm의 곡선 영역과 길이 100µm의 직선 영역으로 구성된 "레이스트랙" 구조를 가지고 있습니다. 링과 버스 도파관 코어 사이의 갭 폭은 800nm, 1000nm, 1200nm에서 200nm 단위로 변합니다. 그림 3(b)는 각 갭의 투과 스펙트럼을 보여주는데, 이는 갭 크기에 따라 소광비가 변함을 나타냅니다. 이 스펙트럼들을 통해 1000nm 갭이 -26dB의 가장 높은 소광비를 나타내므로 거의 임계 결합 조건을 제공한다는 것을 확인했습니다.
임계결합 공진기를 사용하여 선형 투과 스펙트럼을 로렌츠 곡선에 맞춰 품질 계수(Q 계수)를 추정한 결과, 그림 3(c)와 같이 110만이라는 내부 Q 계수를 얻었습니다. 본 연구는 도파관 결합 LToI 링 공진기의 첫 번째 시연으로, 특히 광섬유 결합 LToI 마이크로디스크 공진기의 Q 계수보다 훨씬 높은 값을 보였습니다[9].
결론:본 연구에서는 1550 nm에서 0.28 dB/cm의 손실과 110만 Q 인자의 링 공진기 Q 인자를 갖는 LToI 도파로를 개발했습니다. 이 도파로의 성능은 최첨단 저손실 LToI 도파로와 유사합니다. 또한, 제작된 LToI 도파로의 온칩 비선형 응용을 위한 χ(3) 비선형성을 분석했습니다.
게시 시간: 2024년 11월 20일